JP4616026B2 - 射出成形機用の多軸駆動装置 - Google Patents

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本発明は、多軸駆動装置に関し、特に射出成形機に採用して好適な多軸駆動装置に関する。
射出成形機においては、平行する複数のボールねじ軸を個別のモータで回転駆動し、このボールねじ軸の回転によって射出スクリューを該ボールねじ軸の軸線方向に進退させるように構成された多軸駆動装置が実用されている。このような多軸駆動装置においては、射出スクリューの目標位置に対する位置偏差を検出し、この位置偏差に基づく速度指令によって上記各モータが駆動される。また、各ボールねじ軸における射出スクリューの位置の相対ずれが補正されるように上記各モータに対する速度指令が補正される。(例えば、特許文献1参照)。
特開2002−137269号公報
上記のような多軸駆動装置では、非常停止信号の発生に伴って、上記各モータに対する電源の供給を停止すると共に、いわゆるダイナミックブレーキ(抵抗によるエネルギーの消費)を作動させるようにしている。
しかし、上記各モータをダイナミックブレーキによって制動している状態においては、各モータに対する同期制御が実行されないので、該各モータの特性差や慣性力のばらつき等のために、各ボールねじ軸における射出スクリューの位置が相対的にずれることになる。そして、この相対的な位置ずれは、ボールねじ軸およびボールねじナットの損傷や、射出スクリューの支持体を移動可能に支持するリニアガイドの損傷等を生じさせる。
本発明は、このような状況に鑑み、各軸や被駆動体等に無理な外力を作用させることなく該被駆動体を円滑に非常停止させることが可能な多軸駆動装置を提供することを目的としている。
本発明に係る多軸駆動装置は、上記目的を達成するため、複数の軸の回転もしくは移動により該軸の軸線方向に移動される被駆動体と、前記各軸をそれぞれ回転もしくは移動させる複数の駆動手段と、前記各軸における前記被駆動体の位置相互のずれがなくなるように速度指令を出力して前記各駆動手段を同期制御する制御手段と、を備える。前記制御手段は、非常停止時に、前記同期制御を維持しながら所定の減速パターンに従っ前記各駆動手段を減速させ
前記減速パターンは、例えば、所定時間Tの間に最大値100%から0%まで前記速度指令を低下させる減速パターンである。
そして、前記駆動手段の減速が開始された後に作動されるダイナミックブレーキ手段を更に備えることができる。
前記ダイナミックブレーキ手段は、前記速度指令が最大値の所定%まで低下した時点で作動させてもよく、また、前記速度指令最大値のまで低下した時点もしくは該時点から所定時間経過した時点で作動さてもよい。
前記被駆動体は、例えば、射出成形機の射出スクリュー、もしくは金型である。
射出工程および可塑化工程中に用いられる前記減速パターンとしては、前記射出スクリューを速度零まで低下させた後に所定距離後退させるような減速パターンが望ましい。
本発明によれば、各軸、被駆動体ならびに該被駆動体を移動可能に支持するガイド等の機構要素に無理な外力を作用させることなく、該被駆動体を円滑に非常停止させることが可能である。したがって、上記機構要素の耐久性の向上および損傷の防止を図ることができる。また、各軸の動作を強制同期させるベルトが不要になることと、上記機構要素に高い剛性が要求されなくなることから、コストの低減が可能になる。
以下、添付図面を参照しながら、本発明に係る多軸同期駆動装置について説明する。
複数の軸の同期回転もしくは同期移動により該軸の軸線方向に被駆動体を移動させる多軸同期駆動装置としては、例えば、射出成形機の射出装置や型締装置等があり、図1には、上記射出装置に係る多軸駆動装置が示されている。この多軸駆動装置は、射出スクリュー移動機構10とこの射出スクリュー移動機構10を制御する制御装置20とを備えている。
図1において、射出スクリュー11は支持体12の中央部にその基部が支持され、また、支持体12は射出スクリュー11の中心軸線を挟む対称な位置にボールねじナット13A,13Bがそれぞれ設けられている。
ボールねじ軸14A,14Bは、射出スクリュー11の中心軸線に平行する形態で上記ボールねじナット13A,13Bにそれぞれ螺合され、スクリュー移動用電動モータ15A,15Bによってそれぞれ回転駆動される。
この射出スクリュー移動機構10によれば、モータ15A,15Bを同期運転することによって射出スクリュー11を支持体12と共に進退させることができる。
位置センサ16Aおよび16Bは、射出スクリュー11の移動位置をボールねじ軸14Aおよび14B上におけるボールねじナット13Aおよび13Bの位置(支持体12つまり射出スクリュー11の位置)としてそれぞれ検出するものである。この位置センサ16Aおよび16Bとしては、例えば、モータ15Aおよび15Bの回転量に対応した数のパルス信号を発生するパルスエンコーダが使用される。
圧力センサ17Aおよび17Bは、ボールねじナット13Aとボールねじ軸14A間に作用する射出スクリュー11の射出反力およびボールねじナット13Bとボールねじ軸14B間に作用する同反力を射出圧力としてそれぞれ検出するものであり、例えば、ロードセルによって構成される。
制御装置20は、上位制御部21、サーボ制御部23およびアンプ24A,24Bを備えている。図2は、上位制御部21に含まれる速度指令発生部の構成を示している。この図2において、位置指令設定部210、速度指令設定部211および圧力指令設定部212は、前記射出スクリュー11の目標位置(射出完了位置)を示す指令、該スクリュー11の目標移動速度を示す指令および目標射出圧力を示す指令をそれぞれたとえばマニュアルで設定するために設けられている。
平均位置演算部213は、上記位置センサ16A,16Bで検出される射出スクリュー11の各移動位置XA0,XBOを平均する演算を実行する。演算部214では、位置指令設定部210で設定された目標位置と上記平均位置演算部213で演算された平均位置(XA0+XBO)/2との偏差が演算され、この位置偏差は、乗算部215でゲイン乗数Kpを乗じられた後、位置偏差に基づく速度指令Vdとして低値選択部220に入力される。
平均圧力演算部217は、上記圧力センサ17A,17Bで検出される射出圧力を平均する演算を実行する。演算部218では、圧力指令設定部212で指令された目標射出圧力と平均圧力演算部217で演算された平均圧力との偏差が演算され、この圧力偏差は、圧力PI補償部219でPI補償処理を施された後、圧力偏差に基づく速度指令Vpとして上記低値選択部220に入力される。
低値選択部220は、上記位置偏差に基づく速度指令Vd、上記速度指令設定部211で設定される速度指令Vrおよび上記圧力偏差に基づく速度指令Vpを比較して、それらのうちの最も低値のものを選択し、その選択した速度指令Vmを速度指令切換部221に加える。
非常停止用速度指令発生部222は、図3に例示したような非常停止用の速度指令パターン、すなわち、100%の指令速度を所定時間T(この例では、400ms)の間に0%の指令速度まで直線的に低下させる減速パターンを記憶している。
上記非常停止用の減速パターンは、上記パターンに限定されず、指令速度を折れ線的もしくは曲線的に低下させるものを採用しても良い。また、上記時間Tは、後述の同期制御を伴いながら射出スクリュー11をできるだけ速やかに非常停止させ得る大きさに設定される。
非常停止信号は、射出成形機の安全扉が開かれた場合や、射出成形機の他の部所に異常が生じた場合等に発生する。非常停止用速度指令発生部222は、この非常停止信号を入力した場合に、その入力時点t1で上記低値選択部220から出力されている速度指令速度指令Vmを取込み、この速度指令Vmの値から上記減速パターンに従って低下する非常停止用速度指令、つまり、図3に太線で示す速度指令Veを発生して出力する。この非常停止用速度指令Veは、上記速度指令切換部221に加えられる。
速度指令切換部221は、通常時に上記低値選択部220から出力される速度指令Vmを選択出力し、上記非常停止信号の入力時に、上記非常停止用速度指令Veを選択して出力するように構成されている。
開閉器駆動部223は、上記非常停止信号に基づいて電磁開閉器30を作動させるものである。電磁開閉器30は、図5に示すように、その常閉接点30aが三相交流電源25と前記アンプ24A、24Bとの間に介在され、その常開接点30bがアンプ24A、24Bの三相出力ラインとダイナミックブレーキ抵抗26との間に介在されている。
次に、図1に示すサーボ制御部23について説明する。このサーボ制御部23において、位置偏差演算部230は、上記位置センサ16A,16Bでそれぞれ検出される射出スクリュー11の位置XA0,XBOの偏差(XA0−XBO)、つまり、ボールねじナット13A,13Bの相対位置ずれ量を演算する。また、同期制御部231は、上記位置偏差(XA0−XBO)に所定のゲイン乗数K0を乗じて、同期制御用の速度指令補正値K0(XA0−XBO)を作成する。
演算部232は、前記上位制御部21から出力される速度指令VCMDに上記同期制御部231で演算された速度指令補正値K0(XA0−XBO)を加える演算を実行し、また、演算部233は、上記速度指令VCMDから上記速度指令補正値K0(XA0−XBO)を減じる演算を実行する。したがって、演算部232,233からは、それぞれボールねじナット13A,13Bの相対位置ずれ量をなくすように補正された速度指令が出力される。
上記演算部232,233から出力される補正処理済の速度指令は、それぞれ速度PI補償部234A,234BでPI処理を施された後、アンプ24A,24Bに与えられるので、それらの速度指令に対応する速度でボールねじナット13A,13Bが移動されるようにモータ15A,15Bが駆動される。その結果、ボールねじナット13A,13Bの互いの位置が同期されて、射出スクリュー11が円滑に移動されることになる。
この実施の形態に係る多軸駆動装置を適用した射出成形機によれば、前述したように、前記位置偏差に基づく速度指令Vd、速度指令設定部211でユーザ設定される速度指令Vr、および前記圧力偏差に基づく速度指令Vpの内の最も小さなものが速度指令VCMDとして選択される。
射出工程の当初には、前記位置偏差に基づく速度指令Vdおよび圧力偏差に基づく速度指令Vpが共に大きいので、速度指令Vrが選択されてこの速度Vrで射出スクリュー11が射出方向に進行する。そして、射出圧力の増大に伴って速度指令Vrよりも速度指令Vpが小さくなると、この速度指令Vpが選択されることから、射出スクリュー11が該速度Vpで射出方向に進行することになる。
射出スクリュー11が停止位置近傍にある射出工程の終了直前においては、位置偏差に基づく速度指令Vdが最も小さくなるので、この速度指令Vdが選択される。したがって、射出スクリュー11は、低速で移動しながらきわめて精度良く目標位置に位置決めされる。
すなわち、上記実施の形態によれば、射出スクリュー11が圧力偏差に基づく速度指令Vpによって停止位置近傍まで移動されるので、位置偏差を示す溜まりパルスを増加させることなく円滑かつ高精度に射出スクリュー11を目標位置に位置決めすることができる。
次に、前記非常停止信号が上位制御部21に入力された場合の作用について説明する。前記したように、速度指令切換部221は、図3に示す非常停止信号の入力時点t1で、低値選択部220から出力されている速度指令速度指令Vmを非常停止用速度指令発生部222から出力される非常停止用速度指令Veに切換えて出力する。
この結果、射出スクリュー11は、ボールねじ軸14Aおよび14B上における各位置相互のずれが補正されながら速やかに減速されて非常停止されることになる。すなわち、射出スクリュー11は、ボールねじナット13A、13Bおよびボールねじ軸14A、14Bの損傷や、支持体12を移動可能に支持する図示していないリニアガイドの損傷等を生じることなく、円滑に非常停止される。
一方、前記開閉器駆動部223は、上記非常停止信号の入力時点t1から所定の時間が経過した後、例えば、図3に示す減速パターンに従った指令速度が10%まで減少した時点、あるいは0%になる時点、または0%になってから所定の微小時間が経過した時点で電磁開閉器30を作動させる。これにより、図5に示す接点30aが開かれて、三相交流電源25からの前記アンプ24A,24Bへの給電が絶たれると共に、接点30bが閉じられてダイナミックブレーキ(DB)抵抗26が電動モータ15A,15Bに接続されるので、万一、上位制御部21の制御要素に暴走等のトラブルが発生したとしても、射出スクリュー11の停止が保証される。
なお、上記実施形態では、図2に示す速度指令Vd、VrおよびVpの内の最も小さいものを速度指令VCMDとして上位制御部21から出力させているが、従来のように、位置偏差に基づく速度指令Vdのみを速度指令VCMDとして用いるように構成してもよい。
ところで、射出工程および可塑化工程において射出成形機が非常停止される場合には、射出スクリュー11を戻す方向の樹脂圧が該スクリュー11に反力として作用するので、ダイナミックブレーキ抵抗26によるブレーキ力が発生しても、射出スクリュー11が若干後退動作するおそれがある。上記樹脂圧による反力は、ボールねじ軸14Aとボールねじ軸14Bに作用するが、その際、個々のねじ軸14A、14Bの受ける反力が等しくなる保障はない。したがって、上記樹脂圧による反力によって射出スクリュー11が後退する場合、ボールねじナット13A、13Bやボールねじ軸14A、14B等が損傷することもあり得る。
このような不都合を防止するためには、前記非常停止用速度指令発生部222に図4に例示したような非常停止減速パターンをさらに記憶させるとともに、射出工程および可塑化工程中であることを前記位置センサ16や圧力センサ7等によって検出し、射出工程および可塑化工程中に非常停止信号が発生時点以後に、この非常停止用の減速パターンに従って低下する速度指令を該非常停止用速度指令発生部222から出力させることが好ましい。
上記非常停止用の減速パターンによれば、速度指令Veが零まで低下された時点で極性反転され、その極性反転された指令Veが所定の値になった段階で再び零まで徐々に戻される。これにより、射出スクリュー11は、前進速度が零になってから所定距離後退して停止することになるので、スクリュー11への上記樹脂圧の作用が回避もしくは軽減されて、ボールねじ軸14A、14B等の損傷が防止されるとともに、射出スクリュー11がより円滑に非常停止されることになる。
上記実施形態では、非常停止信号の発生時に、双方の電動モータ15A,15Bを図3もしくは図4に示す非常停止用減速パターンに基づいて減速させている。しかし、非常停止信号の発生時に電動モータ15A,15Bの内のたとえば電動モータ15Aに対する速度指令を零にし、他方の電動モータ15Bを上記減速パターンに基づいて減速させるように構成することも可能である。このような構成は、図1から容易に推考されるので、図示および説明を省略する。
この構成によれば、ボールねじ軸14Aおよび14B上における射出スクリュー11の各位置相互のずれを補正する上記同期機能によって、結果的に該ずれが生じない状態で射出スクリュー11が停止されることになる。勿論、このように構成された場合においても、電動モータ15A,15Bに対してダイナミックブレーキ抵抗26によるブレーキ力が作用される。
なお、図1に示した射出スクリュー移動機構10は2軸構成であるが、必要に応じて4軸構成にすることも可能である。この4軸構成の射出スクリュー移動機構に適用する制御装置は、上記制御装置20の構成から容易に導かれるので、ここではその説明を省略する。
図6は、射出成形機の型締装置40の構成を例示している。また、図7は、図6を矢印A方向から見た図である。
図6において、固定型41および可動型42は、それぞれ固定型盤43および可動型盤44に取り付けられている。固定型盤43の4隅には、それぞれ型締シリンダ45A,45B,45Cおよび45D(図6では、シリンダ45B,45Dのみが示されている)が設けられている。この型締シリンダ45A〜45Dのピストンには、可動型盤44を貫通するタイバー46A〜46Dがそれぞれ結合している。また、型締シリンダ45A〜45Dには、それぞれサーボ弁47A〜47Dが併設されている。これらのサーボ弁47A〜47Dは、それぞれ型締シリンダ45A〜45Dへの作動油の流入流出量を調整するために設けられている。
固定型盤43の一側および他側には、モータ48Aおよび48B(図6では、モータ48Bのみが示されている)がそれぞれ配設され、また、可動型盤44の対応する一側および他側には、ボールねじナット49Aおよび49Bがそれぞれ配設されている。ボールねじナット49Aおよび49Bには、ボールねじ軸50Aおよび50Bがそれぞれ螺合されている。ボールねじ軸50Aおよび50Bは、タイバー46A〜46Dに平行する形態で設けられており、それぞれ上記モータ48Aおよび48Bによって駆動される。
位置センサ51A,51B(図6では、位置センサ51Bのみが示されている)は、ボールねじ軸50Aおよび50B上における可動金型44の位置をそれぞれ検出するために設けたものである。
この型締装置においては、モータ48Aおよび48Bによってボールねじ軸50Aおよび50Bを回転させることにより、可動型盤44を固定型盤43に対して近接、離反させること、つまり、可動型42を固定型41に対して近接、離反させることができる。
いま、可動型42と固定型41が図示のように開かれた状態にあるとすると、上記ボールねじ軸50Aおよび50Bの回転によって、可動型42が固定型41に接触する寸前まで可動型盤44が固定型盤43側に移動されかつ停止される。このとき、タイバー46A〜46Dに設けられた図示していないリング溝が可動型盤44に設けられた図示していないハーフナットの内側リング溝に係合して、上記タイバー46A〜46Dが可動型盤44に結合される。
型締シリンダ45A,45B,45Cおよび45Dには、この時点で作動油が送り込まれ、その結果、可動型盤44がタイバー46A〜46Dと共に図6における右方向に付勢されて型締が行われる。そして、この型締が終了すると、図1に示した射出スクリュー11から金型のキャビティ(図1のCA参照)内に溶融樹脂が射出される。キャビティ内の溶融樹脂が冷却固化すると、タイバー46A〜46Dが逆動作するように型締シリンダ45A〜45Cに作動油が送り込まれ、その結果、型締力が開放されて金型41,42が小寸法離型される。そこで、上記ハーフナットが逆作動されて該ハーフナットとタイバー46A〜46Dとの結合が解かれ、ついで、上記ボールねじ軸50Aおよび50Bが上述とは逆の方向に回転されて、可動型盤44が元の位置まで戻される。
この型締装置も、図1に示す制御装置20に準じた構成の制御装置を用いた制御によって、前記射出スクリュー11の非常停止と同様の形態で可動型盤44を非常停止させることができる。すなわち、前記非常停止信号の発生に伴って、ボールねじ軸50Aおよび50B上における可動型盤44の各位置相互のずれを補正しながら該可動型盤44を減速し、それによって、ボールねじナット49Aおよび49Bおよびボールねじ軸50Aおよび50Bの損傷や、可動型盤44を移動可能に支持する図示していないリニアガイドの損傷等を生じることなく、該可動型盤44を円滑に非常停止させることができる。
この場合、制御装置としては、モータ48Aおよび48Bを制御する第1の制御装置と、前記サーボ弁47A〜47Dを制御する第2の制御装置とが設けられ、モータ48Aおよび48Bの作動による可動型盤44の移動中に非常停止信号が発生した場合には、上記第1の制御装置によって該可動型盤44の非常停止が、また、サーボ弁47A〜47Dの作動による可動型盤44の移動中に非常停止信号が発生した場合には、上記第2の制御装置によって可動型盤44の非常停止が実行される。
なお、上記第1および第2の制御装置においては、図2に示す射出圧力に係る構成要素17A,17B,212,217および219が使用されず、また、同図に示す位置センサ16A,16Bに代えて、図6に示す位置センサ51A,51Bが適用される。そして、上記各制御装置においては、上記可動型盤44を非常停止させるための減速パターンとして、図3に示すパターンに類似するパターンが適用され、かつ、前記ダイナミックブレーキも併用される。
上記型締装置40は2軸構成であるが、必要に応じて4軸構成にすることも可能である。この4軸構成の射出スクリュー移動機構に適用する制御装置は、図1および図2に示した前記制御装置20の構成から容易に導かれるので、ここではその説明を省略する。
また、上記型締装置40は、標準射出成形機に使用するものであるが、本発明は、射出プレス機などの低圧射出成形機はもちろん、複数の軸の同期回転もしくは同期移動により対象物を圧縮もしくはプレスする装置の型締め装置等にも有効に適用することができる。
本発明に係る多軸駆動装置の実施の形態を示すブロック図である。 図1の上位制御部に含まれる速度指令発生部の構成を示すブロック図である。 非常停止用減速パターンの一例を示したグラフである。 非常停止用減速パターンの他の例を示したグラフである。 アンプに対する電源とダイナミックブレーキ抵抗の接続形態を示す回路図である。 射出成形機の型締装置の構成を模式的に示した側面図である。 図7のA矢視図である。
符号の説明
10 射出スクリュー移動機構
11 射出スクリュー
12 支持体
13A,13B ボールねじナット
14A,14B ボールねじ軸
15A,15B モータ
16A,16B 位置センサ
17A,17B 圧力センサ
20 制御装置
21 上位制御部
23 サーボ制御部
25 電源
26 ダイナミックブレーキ抵抗
30 電磁開閉器
210 位置指令設定部
211 速度指令設定部
212 圧力指令設定部
220 低値選択部
221 切換部
222 非常停止用速度指令発生部
230 位置偏差演算部
231 同期制御部
40 型締装置
41 可動型
42 固定型
43 固定型盤
44 可動型盤
45A〜45D サーボ弁
46A〜46D タイバー
47A〜47D サーボ弁
48A,48B モータ
49A,49B ボールねじナット
50A,50B ボールねじ軸
51A,51B 位置センサ

Claims (8)

  1. 複数の軸の回転もしくは移動により該軸の軸線方向に移動される被駆動体と、
    前記各軸をそれぞれ回転もしくは移動させる複数の駆動手段と、
    前記各軸における前記被駆動体の位置相互のずれがなくなるように速度指令を出力して前記各駆動手段を同期制御する制御手段と、を備え、
    前記制御手段、非常停止時に、前記同期制御を維持しながら所定の減速パターンに従っ前記各駆動手段を減速させることを特徴とする、射出成形機用の多軸駆動装置。
  2. 前記減速パターンが、所定時間Tの間に最大値100%から0%まで前記速度指令を低下させる減速パターンであることを特徴とする、請求項1に記載の射出成形機用の多軸駆動装置。
  3. 前記駆動手段の減速が開始された後に作動されるダイナミックブレーキ手段を更に備えることを特徴とする請求項1に記載の射出成形機用の多軸駆動装置。
  4. 前記ダイナミックブレーキ手段は、前記速度指令が最大値の所定%まで低下した時点で作動されることを特徴とする請求項に記載の射出成形機用の多軸駆動装置。
  5. 前記ダイナミックブレーキ手段は、前記速度指令最大値のまで低下した時点もしくは該時点から所定時間経過した時点で作動されることを特徴とする請求項に記載の射出成形機用の多軸駆動装置。
  6. 前記被駆動体が射出成形機の射出スクリューであることを特徴とする請求項1に記載の射出成形機用の多軸駆動装置。
  7. 前記被駆動体が射出成形機の金型であることを特徴とする請求項1に記載の射出成形機用の多軸駆動装置。
  8. 射出工程および可塑化工程中に用いられる前記減速パターンが、前記射出スクリューを速度零まで低下させた後に所定距離後退させるような減速パターンであることを特徴とする請求項に記載の射出成形機用の多軸駆動装置。
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